河道传统测量如何改进方案？

一、 方案概述

1.1方案背景

流量资料具有极为重要的作用，涉及防洪、水文水利计算、水资源评价等各个方面，因此河流流量测量是水文工作的重要内容。每年需要耗费大量的人力物力去完成测验任务。为了减轻流量测验工作量，长期以来，水文工作者都在寻找减少流量测验次数的方法。

常用的方法有：采用缆道测流或者走航测验等技术测流；研发给予水力学、水文学模型的水位推算流量的方法以实现水位推算流量方法；利用旋桨式流速仪对断面多个点进行测流。

传统的测流方法多以单次测流或者人工测流为主。测流的历时时间长，测流的精度不高，且需要耗费水文工作人员大量的时间。

现提出一种阵列式雷达流速仪，可以使用在宽河道的流量监测，其安装简便，可以替代人工测流。

1.2方案总体概述：

由于水流在不同位置的流速变化较大，故在不同的位置均布多台流速仪，放置一台雷达水位计，供电采用市政供电或者太阳能供电，利用遥测终端机对数据进行汇总。

雷达流速仪：用于非接触测量水表面的流速。

雷达水位计：用于测量桥下河道的水位。

遥测终端机：读取多台雷达流速仪和1台水位的数据并且将这些数据进行汇总按照速度面积法计算过整个过流断面的面积。

1.3雷达流速仪的测量原理：

雷达流速仪流速测量基于多普勒效应，探头斜向下发出一束雷达波，雷达波在照射到水体表面反射，由于多普勒效应，发出去和雷达波和接收到的雷达波会产生多普勒频移Δf， 多普勒频移Δf正比于流速。通过测量多普勒频移Δf即可测量出流体的流速。

1.4速度面积法原理：

利用雷达流速仪测量流速V，利用雷达水位计测量水位H，预先在控制器设置的断面参数，控制器可以利用水位自动换算出过流面积S，流体的流量公式为：

Q= V×S

其中V- - - -流速 S- - - -过流面积Q- - -瞬时流量。

由于采用了速度面积法测流，其可以适用于任何形态的断面。

1.5雷达流速仪的安装示意图：

雷达流速仪用于河流和渠道的非接触式表面流速测量。流速仪安装在河流、渠道等水体上方（安装高度大于0. 5m），沿水面夹角约45 - 6 0度方向向水面发射雷达信号，反射回来的信号会被传感器接收，并通过分析计算转换为表面平均流速。

二、主要设备参数

2.1雷达流速仪：

有效距离

0~40m

测量精度

±0.01m/s

测量范围

0.1-20、40m/s

分辨率

0.001m/s

供电范围

9~24V

功耗

＜1W

工作温度

-10℃~60℃

存储温度

-20℃~60℃

相关湿度

95%RH

通信接口

RS485

防护等级

IP66

天线频率

24GHz

波束角

12X25°

2.2雷达水位计

技术参数

测量范围

0~30m

分辨率

1mm

测量精度

±3mm

输出接口

RS485

工作温度

-10℃~60℃

存储温度

-20℃~70℃

2.3遥测终端机

支持流速、水位换算流量。

配套上位机软件可设置渠道、管道类型参数等。

支持GPRS/GSM流量数据远程传输功能。

支持同时向多个站点发送报文。

支持多种工作模式（包括自报模式、查询、应答式、兼容式等）。

内置大容量存储空间、支持USB本地数据导出功能。

支持远程升级、配置、维护。

工作温度：-10~60℃。

配套上位机软件。

三、软件平台和功能

遥测终端机每5分钟（可根据情况设定）采集底层传感器的数据，并将其发送至相应的服务器，通过数据查看平台可以实现实时数据的查看、历史报表、历史图形、导出excle等。

四、流量计算依据

依据GB50179-2015河流流量测验规范采用多垂线流量计算。

将断面划分成多个断面，然后计算各垂线的平均流速。通过各垂线的平均流速进而计算出各分割断面的流量进而求和得到其累计流量。

部分流量和断面流量的理论依据：

垂线流速计算的理论依据：

由于雷达流速仪是采用非接触式多普勒效应测流速，因而其测量的表面流速和部分平均流速之间是存在误差的。因而需要采用其他的经过校核过的流速仪进行校核得到校正系数。

垂线流速校核的点数选择：

垂线上测点流速的分布：

垂线上平均流速的计算方式：

通过上面的几个依据得到的平均流速和设备测量表面流速进行校核之后可以得到校正后的流速，然后利用垂线流速计算的理论依据和部分流量和断面流量的理论依据就可以得到整个断面的流量数据。

产品特点

防水、防凝露、防雷设计，适用于各种野外环境；

进口平面微带雷达非接触式测量，不受气候、泥沙及漂浮物影响；

能够适应复杂情况，不受高水位、垃圾、淤泥、植被等影响；

快速测量，数据输出稳定，且适用于洪水高流速环境；

测量运行和休眠模式相结合；

雷达发射波束角小，准确度高，不易受外界影响；

结构小巧，功耗低，安装方便、易维护；

可配套本公司遥测终端机RTU，可轻松对接现有水文遥测系统或环保系统；

宽输入电压范围，特别适合太阳能电池供电系统；

独有渠道流速模型，测量精度更高；

内部集成增益调节功能，可以适应不同的测流距离。

工作原理

雷达流速仪是利用多普勒效应原理制成，工作时向水面发生电磁波，电磁波遇到运动的水面会发生散射，并构成回波，由于接收到的回波频率相对于发射频率发生一定偏移，由多普勒频率方程可求得水面流速，一个运动目标会在雷达传感器产生一个低频输出信号。这个信号的频率取决于移动速度,幅度取决于距离，反射率和运动目标的尺寸大小。多普勒频移和运动速度成正比关系。定点式雷达流速仪的系统可接入多个雷达探头，相当于布设多个测量垂线，结合断面参数，计算断面流量。

雷达水位计主要由发射和接收装置、信号处理器、天线，等几部分组成，雷达水位计采用发射—反射—接收的工作模式，雷达水位计的天线发射出电磁波，这些电磁波经被测对象表面反射后，再被天线接收，电磁波从发射到接收的时间与到水面的距离成正比，关系式如下：

D——雷达水位计到水面的距离

C——电磁波传输速度

T——电磁波运行时间

雷达水位计记录脉冲波来回的时间T，而电磁波的传输速度为常数C，则可计算出雷达天线到水面的距离D=C*T/2；水底到雷达天线的距离是L，计算可得出水位高度H=L-D。

雷达流量计用于河流和渠道的非接触式流量测量。流量计安装在河流、渠道等水体上方（安装高度大于0.5m），气泡水平仪居中，向水面发射雷达信号，反射回来的信号会被传感器接收，并通过分析计算转换为表面平均流速。使用时将雷达流量计与机箱内的遥测终端机连接好，机箱须做好接地措施，装好太阳能电池板即可开机使用。

立杆整体安装示意图

桥梁安装示意图

由于雷达流速仪发射的雷达波有12度的发散角，为了保证雷达波不照射到岸边，因此安装离岸小距离与安装高度应该满足以下要求：

S >( h/cos(a))*tan(60°) S:岸边小距离 h:安装高度 a:安装水面夹角安装高度与离岸小距离表格（安装夹角为60°时）

1.流量计安装角度可以参照雷达流量计上的水平仪进行调节，水泡需要居中。

2.安装需保持水平且需要安装在水流平缓处。

3.安装高度依现场情况而定，可对照5.4的表进行比对，。注：不能被水淹没。

4.安装时应尽量避免周围有树枝等活动物体，天线面不能有遮挡物，以防造成干扰。

5.流量计的室外安装应做好遮阳，挡雨和防干扰措施。

发生恶劣天气前后需检查、加固设备。

3.4.1. 测量河道时位置的选择与测量结果的准确性有直接联系，为了测量结果的准确性，河道选择的测量河段尽量满足以下情况：

1）测量河段内无巨大块石阻水,无明显漩涡、乱流、回流等现象。

2）测量河段宜顺直、稳定、水流集中。

3.4.2.干扰问题：该雷达流速仪可探测很远的距离。如：车辆、行人、飞鸟、树叶等。当发现测量的速度突然变大时就可能是测量到了远处的物体。此时应放弃本次测量，重新启动测量。路灯或日光灯都会产生一定频率的信号会直接干扰测量结果。

3.4.3. 雨天干扰：雨滴可能会被雷达误认为是一个移动目标，从而产生误触发。所以要保护天线罩不被雨水淋湿，离雨水越远干扰越小。

3.4.5. 漂浮物干扰：较小或者是快速通过雷达测量区域的漂浮物对雷达的影响较小。当漂浮物面积大时就要通过后端处理。结合当前数据前后几个数据对当前测量值进行屏蔽或者处理。